Atšķirībā no metāliem un šķidrumiem gāzē normālos apstākļos ir ļoti maz lādiņnesēju (daži simti lādiņnesēju uz 1019 gāzes daļiņām), tādēļ gāze darbojas kā labs elektrības izolators. Ja šādā gāzē ievieto divus elektrodus, starp kuriem ir elektriskais lauks ar intensitāti E, tad starp elektrodiem strāva neplūst (1. att. a). Ja gāze tiek jonizēta jeb no tās neitrālajām molekulām tiek atrauti elektroni, tad brīvību ieguvušie elektroni un elektronus zaudējušās molekulas kļūst par lādiņnesējiem. Ja šāda gāze tiek pakļauta elektriskajam laukam ar intensitāti E, tad šajā gadījumā gāzē strāva plūst, un to sauc par gāzizlādi (1. att. b).
1.att. Elektriskā strāva gāzēs
Gāzes jonizāciju var izraisīt kāds ārējs faktors, piemēram, UV starojums. Tādā gadījumā to sauc par nepastāvīgo gāzizlādi. Ja gāzes jonizāciju izraisa pašu gāzi veidojošo daļiņu sadursmes, tad procesu sauc par pastāvīgo izlādi. Kad caur gāzi plūst elektriskā strāva, nereti tiek izraisīti dažādi blakus efekti, piemēram, skaņas efekti, dzirksteles vai gāzu spīdēšana. Pastāvīgās izlādes var iedalīt vairākos veidos:
1) mirdzizlāde (ekonomisko spuldžu darbība, 2. att. a));
2) koronas izlāde (augstsprieguma līniju dūkšana un spīdēšana, 2. att. b));
3) lokizlāde (metālu kausēšana un griešana, 2. att. c));
4) dzirksteļizlāde (zibens, 2. att. d)).
2.att. Gāzizlādes piemērs
Salīdzinot ar gāzi, vakuums ir gandrīz pilnīgs tukšums, kurā faktiski nav pat neitrālu daļiņu, nemaz nerunājot par lādētām daļiņām. Tādēļ, ja mēs vakuumā nodrošinātu elektrisko lauku, tik un tā strāvas plūsma netiktu novērota (3. att. a). Lai panāktu, ka vakuumā plūst strāva, tajā lādētās daļiņas ir jāievada. Ir vairāki veidi, kā to var panākt, piemēram, izmantojot elektronu termoemisiju, fotoefektu vai autoelektronu emisiju, un, kad vakuumā ir nonākuši lādiņnesēji, tad elektriskā lauka klātbūtnē ir novērojama strāvas plūsma (3. att. b).
3.att. Elektriskā strāva vakuumā
Gāzes jonizāciju var izraisīt kāds ārējs jonizators, piemēram, liesma, rentgenstarojums vai UV starojums. Jonizatora ietekmē gāzes molekulām tiek atrauti elektroni, līdz ar to gāzē parādās brīvi lādiņnesēji, kuri pārvietojas elektriskajā laukā un rada strāvas plūdumu (1. att. a). Šādu procesu sauc par nepastāvīgo gāzizlādi, jo, aizvācot ārējo jonizatoru, rekombinācijas procesa rezultātā (lādiņu neitralizēšanās, kas notiek, apvienojoties pretējas zīmes lādiņiem) gāzes molekulas kļūst neitrālas un strāvā pārstāj plūst. Pastāv iespēja, ka elektronu un jonu ātrums pieaug līdz tādam apmēram, ka tie, saduroties ar neitrālām molekulām, var tās jonizēt. To sauc par triecienjonizāciju. Šādā gadījumā ārējais jonizators vairs nav vajadzīgs, tādēļ šo procesu sauc par pastāvīgo izlādi (1. att. b).
1.att. Gāzes jonizācija
Ja gāze, kura atrodas starp diviem elektrodiem, tiek pakļauta kādam ārējam jonizatoram (2. att. a), tad jonizators laika vienībā rada noteiktu skaitu jonu un brīvo elektronu. Palielinot spriegumu U starp elektrodiem, strāvas stiprums I gāzē mainās tā, kā redzams 2. att. b. Sprieguma palielināšana izraisa to, ka lielāks skaits radīto lādiņesēju laika vienībā paspēj nonākt līdz elektrodiem. Kad tiek sasniegts spriegums U1(2. att. b), tad visi jonizatora laika vienībā radītie lādiņi paspēj tajā pašā laika sprīdī nonākt līdz elektrodiem. Tādā gadījumā ir iestājusies sātstrāva un turpmāka sprieguma palielināšana strāvas stiprumu neizmaina (2. att. b). Situācija mainās, kad tiek pārsniegts spriegums U2(2. att. b). Šajā brīdī lādētās daļiņas ir sasniegušas tik lielu kinētisko enerģiju, ka sadursmēs spēj jonizēt gāzes molekulas. Tad ir sākusies gāzes pastāvīgā izlāde, un strāvas stiprums sāk atkal pieaugt (2. att. b).
2.att. Gāzu voltampēru raksturlīkne
Lai panāktu, ka vakuumā plūst strāvā, tajā lādiņnesēji ir jāievada. Pastāv vairāki veidi, kā to izdarīt. Var izmantot faktu, ka metālu vakuumā var uzkarsēt līdz tik augstai temperatūrai, ka tajā esošie elektroni iegūst pietiekamu kinētisko enerģiju, lai no metāla izrautos. Šo parādību sauc par termoemisiju, un, lai to izmantotu lādiņnesēju - termoelektronu iegūšanai, vakuuma vidē ir jābūt ievietotam kvēldiegam (3. att.), kas ir termoelektronu avots. Lai elektrons no metāla izrautos, tam ir jāpārvar kristālrežģa pozitīvo jonu pievilkšanās spēks. Darbu, kas šajā procesā tiek paveikts, sauc par elektrona izejas darbu. Viena elektrona izejas darbs ir niecīgs, salīdzinot ar mehānikā plaši lietoto darba mērvienību džoulu (J), tādēļ izejas darbu izsaka mazākās mērvienībās – elektronvoltos (eV). 1 eV = 1,602 · 10-19J. Piemēram, volframa izejas darbs ir 4,5 eV.
3.att. Termoelektronu emisija vakuumā
Ja ir vēlme darboties istabas temperatūrā, tad elektronus ir iespējas dabūt laukā arī no vakuumā ievietotā katoda. Tad uz katodu ir jāiedarbojas ar elektromagnētisko starojumu, piemēram, redzamo gaismu. Ja gaismas kūlis krīt uz katodu, tad tajā esošie elektroni absorbē šīs gaismas enerģiju, un tā var būt pietiekama, lai elektrons varētu pārvarēt kristālrežģa pievilkšanās spēku un izlidot no metāla (4. att.).
4.att. Fotoelektronu emisija vakuumā
Gan termoelektronu (3. att.), gan fotoelektronu (4. att.) gadījumā ir jāpaveic darbs, ko sauc par elektrona izejas darbu, lai no materiāla izrautu elektronu. Jo mazāks ir elektrona izejas darbs, jo vieglāk elektrons padodas izraušanai. Elektrona izejas darbs ir materiālu raksturojošs lielums, tādēļ, izvēloties kvēldiega vai katoda materiālu, ir jārēķinās ar šī materiāla elektrona izejas darbu (5. att.).
5.att. Elektrona izejas darbu info grafiks
Pirms varu elektronikā pārņēma pusvadītāju diodes, plaši tika lietotas vakuumdiodes, kuru uzbūve ir līdzīga 3. attēlā redzamajai iekārtai. Kvēldiegs tiek uzkarsēts līdz noteiktai temperatūrai, un atkarībā no sprieguma U starp katodiem plūst strāva I. Voltampēru raksturlīkne vakuuma diodei redzama 6. attēlā. Atšķirībā no gāzu voltampēru raksturlīknes (2. att. b) šajā gadījumā lielāka strāva par sātstrāvu nav iespējama, jo ir ierobežots lādiņnesēju, kas rodas no uzkarsētā kvēldiega, skaits.
6.att. Vakuumdiodes voltampēru raksturlīkne
Gāzes pastāvīgās izlādes var iedalīt vairākos veidos. Viens no veidiem ir mirdzizlāde. Mirdzizlādi novēro pazemināta spiediena gāzēs, caur kurām plūst strāva. Mirdzizlādes laikā gāze un elektrodi jūtami nesasilst, tādēļ mirdzizlādi sauc par auksto gaismu. Dažādām gāzēm mirdzizlāde ir dažādās krāsās. Piemēram, argons spīd ar zili zaļu gaismu, bet neons ar sarkanu. Mirdzizlāde ir pamatā ekonomisko spuldžu darbībai (1. att. a). Mirdzizlādi plaši izmanto reklāmas apgaismei (1. att. b), kur nepieciešams krāsu dažādības un ekonomijas apvienojums.
1.att. Mirdzizlādes lietojuma veidi
Vēl viens pastāvīgās izlādes veids ir koronas izlāde. Koronas izlāde notiek pie atmosfēras spiediena vietās, kur ap smailiem priekšmetiem ir augstas intensitātes nehomogēns elektriskais lauks. Koronas izlādes cēlonis ir gaisa molekulu triecienjonizācija. Ja kādreiz ir nācies būt tuvumā augstsprieguma līnijai (2. att.), tad jau pa gabalu ir dzirdama tās dūkšana. Šīs skaņas izraisītājs ir koronas izlāde, kuru pavada arī tumsā saskatāma violeta spīdēšana. Koronas izlādes rezultātā pārvades līnija ir pakļauta nevēlamiem elektroenerģijas zudumiem.
2.att. Koronas izlāde novērojama ap augstsprieguma līnijas vadiem
Ja tuvumā novieto divus elektrodus, tad starp tiem rodas izslēgums un saskarsmes vieta uzkarst līdz augstai temperatūrai. Ja elektrodus pēc tam attālina, tad starp elektrodiem izveidojas spēcīga pastāvīgā gāizlāde, ko sauc par lokizlādi (3. att.). Lokizlādes gadījumā gāze ir spēcīgi sakarsusi, tādēļ tajā vairs neeksistē neitrālas molekulas, bet tās ir sadalījušās pozitīvos un negatīvos lādiņnesējos. Šādu gāzes stāvokli sauc par plazmu. Augstās temperatūras dēļ lokizlādi var izmantot metālu kausēšanai, metināšanai uz griešanai.
3.att. Lokizlāde starp diviem oglekļa elektrodiem
Ja starp diviem elektrodiem atrodas izolators – gāze, tad pie noteiktām elektriskā lauka intensitātes vērtībām ir iespējams šo izolatoru caursist. Šo gāzes izlādes veidu sauc par dzirksteļizlādi. Piemēram, nepieciešamā elektriskā lauka intensitāte gaisa caursišanai pie normāla atmosfēras spiediena ir 106V/m. Dzirksteļizlāde notiek caur spīdošu un līkumotu strāvas kanālu, kurā ir augsta gāzes temperatūra un spiediens. Dzirksteļizlāde notiek starp aizdedzes sveces elektrodiem iekšdedzes dzinējos (4. att. a), kā arī starp elektrisko slēdžu kontaktiem ieslēgšanas un izslēgšanas brīdī. Dabā visgrandiozākā dzirksteļizlāde ir zibens (4. att. b).
4.att. Dzirksteļizlāde tehnikā un dabā
Izmantojot vakuuma elektronikas tehnoloģijas, iespējams uzbūvēt dažādu veidu monitorus. Šāda monitora uzbūves pamatā ir elektronu lielgabals, kas “ražo” ātri lidojošus elektronus, divi elektronus novirzošie elementi un fluorescējošs ekrāns, kurš elektrona trieciena rezultātā iespīdas (5. att. a). Novirzošie elementi regulē elektrona kustību x-y plaknē (5. att. b). Atkarībā no novirzošajām platēm pieslēgtā strāvas virziena un stipruma elektrons tiek vairāk vai mazāk novirzīts kāda ekrāna malas virzienā (5. att. b). Agrāk šādu tehnoloģisko risinājumu izmantoja gan televizoriem, gan datoru monitoriem. Mūsdienās šāda tipa monitorus lieto oscilogrāfos (5. att. c).
Padarbojies ar osciloskopu (spied uz iekrāsotā vārda)!
5.att. Monitora darbības princips
Lai gan pusvadītāju tehnoloģijas šobrīd dominē dažādu elektroniku būvē, vakuuma tehnoloģijām ir dažas priekšrocības, kas noteic to izmantošanu arī mūsdienās. Piemēram, vakuuma tehnoloģijas ir daudz izturīgākas pret īslaicīgiem pārspriegumiem, kas var rasties zibens, Saules uzliesmojumu vai pat kodolsprādziena rezultātā. Tādēļ vakuumtehnoloģijas ir cieņā militārās aprindās. Skaņas pastiprinātājos pusvadītājtehnoloģijas ir daudz lētākas par vakuuma tehnoloģijām, tomēr kvalitātes ziņā pusvadītāji krietni atpaliek, tādēļ augstas kvalitātes aparatūrā vēl aizvien tiek lietotas vakuuma diodes un triodes (6. att.).
6.att. Mūsdienu skaņas pastiprinātājs ar vakuuma tehnoloģijām